第三章熱作模具材料

§3-1對熱作模具材料性能要求及成份特點熱作模具是將加熱的(高于再結晶溫度)或高溫液態的金屬進行熱變形加工和壓力鑄造成型的模具。熱作模具種類較多，每類模具工作狀態不完全相同，分析對材料性能的要求，必須首先了解模具的工作條件。1、分類1）熱分離模具（熱切邊模、熱沖裁模等）2）熱變形模具（熱鍛模、熱擠壓模）3）壓鑄模（有色金屬、黑色金屬）2、工作條件1）設備與負荷使用主要設備：熱模鍛壓力機、鍛錘和壓鑄機等。使用熱模鍛壓力機，模具與被加工材料接觸時間較長，模具溫度升高較大，但沖擊負荷比較小。使用鍛錘，模具與被加工材料接觸時間短，模具溫度升高較小，但沖擊負荷比較大。使用壓鑄機：模具與被加工材料接觸時間長，模具溫度很高，此外模具表面受到高壓、沖刷。

2）被加工材料與負荷有色金屬（受熱小、溫度低、磨損和熱疲勞）黑色金屬（受熱多、溫度高、模具材料易軟化、磨損和熱疲勞）3）潤滑以及冷卻條件與負荷潤滑的目的是為了減小材料與模具表面的摩擦；冷卻則是為了縮短生產循環時間，但模具溫度波動較大，容易造成冷熱疲勞。3、對熱作模具材料的要求良好的韌性良好的耐磨性和較高的硬度——摩擦、氧化、腐蝕、氧化皮等因素均可造成模具發生嚴重磨損較高的熱穩定性、較高的高溫強度——高溫下仍保持常溫力學性能，否則會發生軟化——塑性變形——塌陷良好的耐冷熱疲勞性能——斷裂（龜裂）良好的導熱性——維持正常工作循環，排出熱量高淬透性——各處力學性能比較均勻、承受較大負荷良好的工藝性——加工方法和成本成份特點熱作模具材料具有較高的韌性，因此含C量稍低，含C量一般在0,4-0,6％之間。含C量減少，可提高韌性，但同時硬度會降低。含有Cr、Mn、Ni、Si、Mo、W、V等合金元素。這些元素可以明顯提高淬透性、熱硬性、高溫強度、熱疲勞抗力等。比如：Cr元素可以提高材料的淬透性、耐磨性以及材料的抗氧化能力。W和Mo元素可提高材料的高溫強度和熱疲勞抗力。具體內容可參考冷作模具材料§3-2熱作模具鋼及熱處理為了便于對模具材料進行系統分析，先對熱作模具材料進行分類。從實際生產中來看，絕大部分的熱作模具材料是熱作模具鋼，首先來看一下模具鋼的分類，其他熱作模具材料后面再講。

一、熱作模具鋼的分類根據不同的標準有以下幾種分類方法：1、按照工藝用途來分：熱模鍛模具鋼、熱擠壓模具鋼、壓鑄模具鋼、熱沖裁模具。2、按照工作溫度來分：低耐熱模具鋼（350-370℃）、中耐熱模具鋼（550-600℃）、高耐熱模具鋼（580-650℃）3、按照使用性能來分：高韌性熱作模具鋼、高熱強度熱作模具鋼、高耐磨熱作模具鋼4、按照合金元素的含量分：低合金、中合金、高合金模具鋼按用途分按性能分按溫度分鋼號錘鍛模用鋼高韌性熱模鋼低耐熱模具鋼（≤350~370℃）5CrNiMo、5CrMnMo、4CrMnSiMoV、5Cr2NiMoVSi熱鍛模、熱擠壓模用鋼高熱強熱模鋼中耐熱模具鋼（550~600℃）4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、4Cr5W2VSi高耐熱模具鋼（580~650℃）3Cr2W8V、3Cr3Mo3W2V、4Cr3Mo3SiV、5Cr4W5Mo2V壓鑄模用鋼高熱強熱模鋼中耐熱模具鋼4Cr5MoSiV1、4Cr5W2VSi高耐熱模具鋼3Cr2W8V、3Cr3Mo3W2V熱沖裁模用鋼高耐磨熱模鋼低耐熱模具鋼8Cr3、7Cr3熱作模具鋼的分類二、熱模鍛模具用鋼及其熱處理熱模鍛模具在高溫條件下，通過沖擊力或壓力使炙熱的金屬發生塑性變形而成型。熱模鍛模具包括錘鍛模、熱模鍛壓力機鍛模、熱鐓模、精鍛模和高速錘鍛模等。熱鍛模在工作時受到沖擊力或壓力作用，據此可以將熱鍛模分為2大類：以受沖擊力為主的模具和以受壓力為主的模具。第2類模具工作情況與熱擠壓類似，選材參考熱擠壓。在此主要討論以受沖擊為主的模具材料，即錘鍛模材料。1、錘鍛模的工作條件模具在工作時受到的主要負荷為沖擊負荷，此外還會受到較大壓應力和拉應力的作用。成型過程在高溫下進行，模具型腔溫度因與坯料接觸而快速升高，一般模具溫度可升高300-400℃，局部升高500-600℃，溫度波動大約200℃。模具溫度升高速度很快，取出鍛件后必須用水、油或者壓縮空氣對模具進行冷卻，使工件和模具迅速冷卻，以進行下個工作循環。在這個過程中，溫度變化會造成模具上應力出現變化。此外，由于成型過程中材料轉移，坯料與模具表面之間存在強烈摩擦。2、失效形式磨損（粘著、氧化和磨料磨損）塑性變形（塌陷）斷裂（脆斷、崩裂、燕尾開裂、表面龜裂）3、對錘鍛模材料的主要性能要求高溫強度沖擊韌性耐磨性、硬度冷熱疲勞性能導熱性淬透性抗氧化性工藝性能4、錘鍛模材料主要鋼種可供選擇的錘鍛模材料不是太多，主要有5CrMnMo5CrNiMo4CrMnSiMoV4Cr5MoSiV4Cr5MoSiV15Cr2NiMoVSi45Cr2NiMoVSi（2713）5、典型鋼種的性能特點：1）5CrNiMo5CrNiMo是應用最為廣泛的熱作模具材料之一，特點：良好的韌性和強度高耐磨性和一定的硬度良好的高溫性能（在500-600℃溫度下使用，性能和常溫下沒有大變化）(即中、高溫性能較好)淬透性很好（300-400mm可以淬透）冷熱加工性能很好缺點是鍛造之后容易出現白點白點白點實質上是一種裂紋。奧氏體溫度較低時，H元素在奧氏體中的溶解度急劇下降，當溫度下降速度很快時，H元素就來不及擴散到鋼的表面逸出，于是就聚集在鋼材內部有缺陷的部位，并由原子態變為分子態，H分子在這些部位產生很大的壓力，當壓力超過了強度極限（抗拉）時就會在該處形成裂紋，即所謂的白點。2）5CrMnMo具有與5CrNiMo類似的性能，總體比5CrNiMo略差，具有良好的中、低溫性能，主要表現在：沖擊韌性稍差；淬透性稍差；在高溫條件下的耐疲勞性能略差；熱處理過熱傾向性提高。3）4CrMnSiMoV（性能接近中耐熱鋼）較高的高溫強度和韌性；高耐磨性能；高耐疲勞性能；淬透性很好；冷熱加工性能良好；各種性能均優于5CrNiMo。4）45Cr2NiMoVSi（中、高耐熱鋼）與5CrNiMo相比這種材料具有以下特點：較高的強韌性抗熱疲勞和耐熱磨損性能良好良好的熱穩定性（比5CrNiMo高150℃左右）淬透性提高鍛造和熱處理性能良好（主要原因是開裂傾向性減小、鍛造溫度范圍寬）冷加工難度稍微增加6、錘鍛模材料的選用以中、低耐熱鋼為主中小型模具（<3t）：5CrMnMo、5CrNiMo大型模具（>3t）：5CrNiMo、4CrMnSiMoV大型重載：5Cr2NiMoVSi、45Cr2NiMoVSi具體見表錘鍛模材料選用舉例及硬度要求

7、模具材料的鍛造和熱處理模具的制造過程1）制造工藝路線下料---鍛造---退火---機械粗加工---探傷---精加工或者成型加工---淬、回火---鉗修---拋光---裝配2）5CrNiMo和5CrMnMo的鍛造和熱處理規范鍛造坯料存在成分偏析、組織偏析、C化物分布不均、大小形狀不符合要求，此外晶粒較粗大，內部有很多缺陷等。規范：加熱溫度：1100-1150℃始鍛溫度：1100-1050℃終鍛溫度：850-800℃鍛后冷卻：先緩冷至150-200℃，后空冷。（防止白點）鍛后熱處理（或者球化退火）目的：降低材料硬度便于機械加工消除材料內部應力，防止在熱處理時出現變形、開裂等細化晶粒，為此后的熱處理作好組織上的準備規范：加熱到780-800℃（5CrNiMo）850-870℃（5CrMnMo）隨爐保溫4-6h，然后隨爐緩慢冷卻至500℃，后空冷，處理后材料的硬度在197-241HBS的范圍內。熱處理目的：賦予材料所應當具有的使用性能，包括下述內容：淬火（加熱規范、淬火溫度、方法、介質等）加熱規范包括加熱方法、加熱溫度、加熱速度、保護措施等回火（回火的溫度、方法、介質等）。淬火加熱過程中采取適當的保護措施，避免工件表面出現脫C和氧化。比如在鹽浴爐、箱式爐或者真空爐內將工件加熱，此外還可對工件表面進行保護，比如涂上保護劑等。淬火溫度：830-850℃（5CrMnMo）

830-860℃（5CrNiMo）淬火后硬度：5CrMnMo---52-58HRC5CrNiMo----53-58HRC這2種材料均可以采用多種方法進行淬火，比如油淬、分級淬火、等溫淬火等。其中最常使用的是油淬。回火一般采用中溫或者高溫回火。回火分2部分，即模具型腔部分回火和燕尾回火。燕尾直接與錘頭接觸，其硬度略高于錘頭，根部容易產生應力集中，所以硬度不能太高。模具型腔在工作的過程中，很容易發生磨損，因此必須具備較高的硬度。通過上面的分析我們知道，燕尾的硬度要低于型腔的硬度，具體怎樣實現這一要求？燕尾可采用單獨回火或者自行回火的方法進行處理。單獨加熱回火就是先將模具型腔進行回火，然后再用電爐或者鹽浴爐對燕尾部分單獨加熱回火。在淬火過程中，將淬入油中的模具燕尾部分提出油面停留一段時間，依靠其自身的熱量使燕尾溫度升高，如此反復3-5次即可，即自行回火。錘鍛模硬度不宜太高，否則材料韌性就會下降，在使用過程中很容易出現開裂。也不宜太低，太低模具型腔容易被壓壞且磨損加劇。材料硬度一般隨著回火溫度的升高而降低，而沖擊韌性則恰好相反。因此在選擇時要注意二者的平衡。5CrMnMo：回火溫度模具型腔：460-480℃，硬度：42-47HRC燕尾：600-620℃硬度：35-39HRC熱作模具鋼的熱處理其他類型熱鍛模的材料選用舉例及其硬度要求三、熱擠壓模具用鋼及熱處理熱擠壓是將熾熱的金屬加工成工件，在此過程中，模具要承受哪些負荷、如何失效？1、工作條件巨大的壓應力拉應力一定的沖擊負荷（比錘鍛模小得多）溫升高（與坯料接觸時間更長）急冷急熱產生的溫度應力摩擦大彎曲影響溫升因素被擠壓材料（溫度）鋁合金450-480℃Cu、Ti合金650-800℃鋼材1100-1250℃不銹鋼更高工藝反擠壓、復合擠壓溫度升高比正擠壓高。毛坯尺寸尺寸大，則溫升高。2、失效形式塑性變形（型面坍塌etc），原因是強度不足斷裂脆斷----主要是存在彎曲力、拉力龜裂----主要是冷熱疲勞開裂----韌性不足的表現磨損存在磨料、粘著、氧化和疲勞等幾種3、對材料的性能要求良好的高溫強度；較高的硬度和耐磨性；一定的韌性（要求比鍛模低）；較高的冷熱疲勞抗力；較高的抗氧化能力；高淬透性；優良的加工工藝性。4、典型鋼種的性能特點可供選擇的熱擠壓用模具材料種類比較多，主要有Cr系、W系、Cr-Mo系、W-Mo系等，具體可以參考有關書籍。在實際生產中真正能夠良好使用的材料并不是很多，下面就介紹常用的幾種材料。1）4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1這2種材料基本上可以劃歸中耐熱鋼，即中溫性能比較好，具體有：良好的高溫強度和韌性；良好的硬度和耐磨性；耐冷熱疲勞性能較好（Cr、Si元素）淬透性較好（尺寸小的工件可以直接采用空冷淬火、大件則必須油淬>100mm）鍛造時變形抗力小、開裂傾向性小、但鍛造溫度范圍窄。

2)3Cr2W8V這種材料可以劃歸高耐熱鋼，高溫性能較好，具體有具有高的高溫強度具有高的硬度和耐磨性；具有較好的熱穩定性；塑性和韌性較差（過共析萊氏體鋼）淬透性差（臨界尺寸80mm）耐冷熱疲勞性能一般目前很多鋼種都是在3Cr2W8V的基礎上發展起來的，或者說是對3Cr2W8V的某些性能改進產生的。5、選材主要根據被擠壓材料和擠壓溫度1）輕金屬及其合金（Al、Mg等），擠壓溫度350-510℃，可以選用中耐熱鋼（4Cr5MoSiV、或4Cr5MoSiV1）2）銅、鋼材（1100-1260℃）可以選用高耐熱鋼（3Cr2W8V、5Cr4W5Mo2Vetc.）重點補充：現在很多產品采用溫擠壓來生產，主要使用的模具材料是高速鋼（W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2etc）。6、熱加工及特點制造工藝路線：下料----鍛造----鍛后處理----機械加工----淬、回火----精加工----裝配下面我們來分析一下熱加工工序的特點1）鍛造工藝材料多為高合金鋼，因此鍛造相對比較困難，在鍛造過程中要注意：鍛造方法；加熱冷卻規范；鍛造溫度范圍；注意含Mo的材料在加熱的過程中容易出現脫C現象。具體工藝見表常用熱擠壓模具鋼的鍛造工藝2）鍛后處理有2種方法。球化退火：降低硬度、消除內部應力、調整組織和結構。具體工藝參考表。高溫調質：改善毛坯鍛造之后的力學性能，具體是將鍛件加熱到淬火溫度淬火，然后高溫回火，主要可以改善C化物的形狀、大小和分布，改善材料的韌性。正火：消除粗大晶粒及鏈狀C化物（即出現過熱現象）

熱擠壓模具鋼的退火工藝3）淬火和回火淬火的方法有多種：比如油淬、空淬、分級淬火、等溫淬火等。淬火溫度主要根據鋼材種類以及硬度和韌性要求。中耐熱鋼：淬火溫度1010-1060℃，淬火硬度50-59HRC高耐熱鋼：淬火溫度1050-1140℃，淬火硬度53-62HRC回火溫度：在基本滿足韌性要求的前提下，盡量選擇較低的回火溫度，以提高材料的硬度。熱擠壓模具鋼的常規熱處理工藝熱擠壓模的材料選用及硬度要求續例題：有一實芯鋁合金件，擬采用熱擠壓的方法生產，試確定模具材料和簡單的制造工藝路線，并制定簡單的鍛造和熱處理規范。模具材料：擠壓凸、凹模均采用4Cr5MoSiV1（表）制造工藝路線：下料----鍛造----鍛后處理----機加工----淬火、回火---修磨----裝配鍛造工藝始鍛溫度：1100-1060終鍛溫度：900-850鍛后緩冷。熱處理鍛后處理：加熱T：860-890℃等溫T：720-700℃（3-4Hrs）隨爐冷卻至500℃出爐空冷。處理后硬度<223HBS淬火、回火淬火溫度：1040-1020℃淬火硬度：53-55HRC淬火介質：油回火溫度：560-580℃回火硬度：47-49HRC三、熱沖裁模具用鋼及熱處理1、工作條件熱沖裁模具的工作原理與冷沖裁完全一樣，都是通過剪切完成成型工藝，在剪切的過程中刃口與坯料相互摩擦。同時，也承受一定的沖擊負荷，由于是熱沖裁，因此模具在使用的過程中刃口的溫度降升高，所以其工作條件稍微復雜。在熱沖裁的過程中，沖裁模的受力和溫升與下述因素有關：1）設備既可以使用壓力機，也可以使用錘，但是2者有差別2）坯料因素坯料的厚度坯料的材質2、主要的失效形式刃口磨損、崩刃、卷邊3、對材料的性能要求較高的耐磨性；較高的硬度；較高的熱硬性；良好的韌性；優良的制造工藝性4、可選擇的材料7Cr13、8Cr13、6CrW2Si、5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8Vetc.，也可采用硬質合金。

熱沖裁模的材料選用舉例及其要求的硬度5、典型鋼種及熱處理最常使用的材料是8Cr13，使用硬度具體要看被加工材料，主要是材料種類，當然也與材料的厚度有關（厚度與模具材料硬度關系、模具材料硬度和韌性之間的關系）熱處理主要包括退火和淬、回火球化退火：加熱到790-810℃，保溫2-3小時，出爐冷卻至720-700℃等溫3-4h，爐冷至600℃空冷。硬度<241HBS淬火：加熱到820-840℃，空冷至780℃左右，油淬，150-200℃左右出油，并立即回火（防止變形和開裂）。回火：根據具體情況而定，一般采用中、高溫回火，回火溫度根據硬度要求而定，比如480-520℃回火后硬度可以達到41-45HRC，但是回火溫度不能太低，否則韌性不足。四、壓鑄模具用鋼及熱處理壓鑄模是將高壓進入模具型腔的液態金屬成型的一種鑄造模具。1、工作條件在工作的過程中，模具反復與炙熱金屬接觸，主要承受以下負荷：承受高壓作用，一般壓力為30-150Mpa與高溫金屬（400-1600℃）接觸時間長，模具溫度可以達到300-1000℃急冷急熱，反復被加熱冷卻，出現交變溫度應力嚴重沖刷模具，并伴隨劇烈的摩擦

2、失效形式龜裂---出現網狀裂紋（疲勞破壞）磨損----主要由于沖蝕和氣蝕而造成，特別是低溫合金主要以磨損方式破壞氣蝕：氣蝕是由于腐蝕性氣體造成的，在金屬表面上形成的類似海綿狀的空穴結構。沖蝕：沖蝕是由于金屬流體對模具表面的沖刷而形成的凹坑或麻點。3、對模具材料的性能要求優良的耐熱疲勞性能優良的高溫強度足夠的硬度和耐磨性高淬透性（整個截面性能較均勻，對大尺寸模具尤為重要）高的導熱性能良好的抗粘模性能（很多材料并不具備這樣的性能，但可通過表面處理達到要求）較高的耐腐蝕性一定的韌性良好的抗氧化性能4、材料的選擇根據被壓鑄材料，主要以高溫耐熱合金為主。壓鑄Zn（400℃左右）選擇低耐熱、或中耐熱鋼為主。如5CrMnMo、5CrNiMo、4Cr5MoSIV等。Al（600℃）主要選擇中、高耐熱鋼，如4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、或3Cr2W8V。Al-Mg-Zn合金（600-750℃）主要選擇中、高耐熱鋼，見上述材料。Cu（800℃）通常選用3Cr2W8V或者其它含有Co元素的W系高耐熱鋼。鋼（1000℃）可選擇3Cr2W8V，表面滲鋁，但是壽命很短。壓鑄模成形部分零件的材料選用舉例5、壓鑄模具材料特點C含量不高，Cr、W含量高。合金元素的作用：Cr提高材料的淬透性、抗氧化性；W提高材料的回火穩定性（即材料的熱硬性和熱強度），同時在淬火的過程中可以阻止晶粒長大（提高了材料的韌性）。V起到細化晶粒、增加2次硬化效果。6、壓鑄模具的制造工藝路線與熱加工特點1）工藝路線下料----鍛造----退火----粗加工----退火----精加工----淬、回火----鉗工修磨----發藍處理----裝配下料----鍛造----退火----粗加工----調質----精加工（成型加工）----鉗工修磨----滲N----拋光----裝配2）鍛造（3Cr2W8V）方法：鐓粗+拔長目的：消除C化物偏析以及粗大C化物。始鍛溫度：1080-1020℃終鍛溫度：900-850℃鍛造之后快速冷卻至700℃后空冷。3）熱處理鍛后熱處理：不完全退火：加熱：830-850℃，保溫3-4h，冷卻至400℃出爐空冷。等溫退火：740-710℃之間等溫3-4h，爐冷至500℃，出爐空冷，硬度207-235HBS。退火：溫度650-680℃，保溫3-4h，形狀簡單的出爐空冷，形狀復雜者需要隨爐冷卻至400℃后空冷。淬、回火方法：油淬、分級淬火、等溫淬火（油淬變形較大）注意問題：材料導熱性能較差，在加熱過程中必須緩慢，一般采用多次預熱加熱的方法。淬火溫度可適當提高，這樣可提高材料的熱穩定性和高溫強度，但是材料的塑性、韌性會降低。遇到這種情況可以根據具體要求來決定。一般采用多次回火處理1次二次硬化溫度附近2次達到工作硬度3次低于第2次10-20℃回火后空冷或者油冷。7、表面強化使用過程中主要出現的問題：粘模、表面腐蝕表面強化方式：N化、滲B、滲Al、滲Cretc.。

3Cr2W8V的幾種熱處理工藝§3-3其它熱作模具材料一、硬質合金Carbide特點：耐熱性熱硬性抗氧化性耐腐蝕性熱沖裁模具、壓鑄模、以及熱擠壓等，當工件的形狀比較簡單、且對韌性要求不是太高的場合，可以考慮使用硬質合金。二、高溫合金這類材料具有較高的高溫強度和硬度。主要有鐵基、鎳基、鈷基高溫合金。主要用來制造熱擠壓模具。三、難溶金屬合金1700℃以上的合金稱為難溶金屬合金，其再結晶溫度